射頻同軸電纜的衰減分析

龔信軍　郭斌

【摘要】 本文從電纜結(jié)構(gòu)、材料選用、制造工藝、運輸及使用等幾個方面分析了射頻同軸電纜的衰減，并且進(jìn)行了橫向?qū)Ρ取?/p>

【關(guān)鍵詞】 射頻同軸電纜 衰減 損耗

Analysis of attenuation of RF coaxial cable

GONG Xin-jun CRSC Shanghai Rail Transportation Technologies Co.，Ltd.

GUO Bin Shanghai Huacui Calibration Co. Ltd.

Abstract：This paper analyzed the loss of RF coaxial cable from the cable structure， material， manufacturing， transportation and other aspects，and compares.

Key words：RF coaxial cable；attenuation；loss

一、引言

隨著4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，用于移動基站系統(tǒng)和室內(nèi)分布系統(tǒng)的射頻同軸電纜也將得到廣泛的應(yīng)用，從全球來看，700（800）MHz/1.8GHz/2.6GHz三大頻段為海外運營商選擇的4G頻段的主流。除中國移動1800MHz頻段外，三家運營商都將使用高頻段部署TD-LTE網(wǎng)絡(luò)。

為搶占未來市場，當(dāng)前全球多個國家已競相展開5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)，中國和歐盟正在投入大量資金用于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。三星電子通過研究和試驗表明，在28GHz的超高頻段，以每秒1Gb以上的速度，成功實現(xiàn)了傳送距離在2Km范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，此前，超高頻段數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)損失大是一個技術(shù)瓶頸。該技術(shù)的成功，不僅保證了更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，也有效解決了目前移動通信波段資源幾近枯竭的問題。

二、射頻同軸電纜結(jié)構(gòu)及其對衰減的影響

射頻同軸電纜屬于二導(dǎo)體傳輸線。沿電纜長度任意一點的橫截面上，內(nèi)、外導(dǎo)體都是同心，且電阻率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)均勻一致，主要傳輸TEM波（電場和磁場方向垂直于波的傳播方向），電磁場主要集中在同軸電纜的內(nèi)、外導(dǎo)體之間，具有很好的傳輸性能及屏蔽效果。

同軸電纜的衰減主要是由導(dǎo)體衰減、介質(zhì)衰減、輻射衰減三部分組成的，除了泄漏電纜外，輻射衰減非常小。射頻同軸電纜在實際制造過程中結(jié)構(gòu)沿長度方向的不均勻及電纜在承受外力、彎曲或溫度改變的情況下，會產(chǎn)生很大的衰減，大部分損耗轉(zhuǎn)換為熱能。溫度上升會導(dǎo)致電阻和介質(zhì)衰減增加。

2.1 內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

射頻同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體尺寸相比外導(dǎo)體小得多，因此內(nèi)導(dǎo)體的衰減占了整個導(dǎo)體衰減很大的比重，因此對內(nèi)導(dǎo)體的要求比較高。以下介紹的內(nèi)導(dǎo)體衰減的計算公式并從分析了不同的內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

內(nèi)導(dǎo)體衰減計算：

Li（dB/100ft）= （1）

式中：Li—內(nèi)導(dǎo)體衰減；d—內(nèi)導(dǎo)體外徑（in）；f—工作頻率（MHz）；Z0—特性阻抗（Ω）；

2.2 介質(zhì)結(jié)構(gòu)

除了起絕緣作用之外，高頻磁場在絕緣介質(zhì)中也可傳播，因此絕緣介質(zhì)的選擇將會直接影響到電纜衰減、功率容量、減小波阻抗不均勻性及機械性能等。介質(zhì)衰減與頻率的增加呈線性關(guān)系。頻率越高，介質(zhì)衰減越大，且介質(zhì)衰減占總衰減的比重上升。

絕緣形式主要有實體絕緣、空氣絕緣、半空氣絕緣。高端的射頻同軸電纜幾乎都采用發(fā)泡氟塑料介質(zhì)（半空氣絕緣），對射頻同軸電纜絕緣材料的一般選用原則是介電常數(shù)ξ和介質(zhì)損耗角正切tanδ應(yīng)盡量小。以下介紹的介質(zhì)損耗的計算公式并從分析了不同的介質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

介質(zhì)衰減計算：

Ld（dB/100ft）=2.78×ρ××f （2）

式中：Ld—介質(zhì)衰減；f—工作頻率（MHz）； ρ—介質(zhì)損耗角（εr=2.1，ρ=0.00016；εr=1.6，ρ=0.00005）。

2.3 外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

射頻同軸電纜的外導(dǎo)體既起回路作用又起屏蔽作用，外導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)形式有編織、管狀、絞合、鍍層等形式。以下介紹的外導(dǎo)體衰減的計算公式并從分析了不同的外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

外導(dǎo)體衰減：

Lo（dB/100ft）= （3）

式中：Lo—外導(dǎo)體衰減；D—外導(dǎo)體內(nèi)徑（in）；f—工作頻率（MHz）；Z0——特性阻抗（Ω）。

三、同軸電纜材料及其對衰減的影響

3.1 內(nèi)導(dǎo)體材料

趨膚效應(yīng)使導(dǎo)體的有效電阻增加。導(dǎo)體衰減與頻率的平方根成正比關(guān)系。頻率越高，趨膚效應(yīng)越顯著。當(dāng)頻率很高的電流通過導(dǎo)線時，可以認(rèn)為電流只在導(dǎo)線表面上很薄的一層中流過，這等效于導(dǎo)線的截面減小，電阻增大。既然導(dǎo)線的中心部分幾乎沒有電流通過，就可以把這中心部分除去以節(jié)約材料。

當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部電磁場（電流）減小到表面值的1/e（e= 2.718）倍時的深度稱為趨膚深度。

3.2 介質(zhì)材料

射頻同軸電纜要求高頻下介電常數(shù)ξ和介質(zhì)損耗角正切tanδ應(yīng)盡量小，除了結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以降低這兩個指標(biāo)外，選用合適的材料也很重要。尤其是需要在高溫下使用的射頻同軸電纜，氟塑料的性能將特別優(yōu)越，以下就各種氟塑料的性能做簡要介紹。

3.3 外導(dǎo)體材料

射頻同軸電纜外導(dǎo)體的衰減占導(dǎo)體衰減的1/3左右，對外導(dǎo)體材料電導(dǎo)率的要求沒有那么高，因此可采用鋁做外導(dǎo)體，對總的衰減影響不大，約增加6%左右，但在成本及重量上有很大的優(yōu)勢。

3.4 護(hù)套

護(hù)套主要用于保護(hù)電纜，材料主要有聚氯乙烯、聚乙烯。如有特殊要求（耐高溫、防潮等），則會使用聚氨酯、聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯、硅橡膠、氯丁橡膠、尼龍等材料。

3.5 鎧裝

鎧裝可以提高電纜的耐磨性、抗拉強度和屏蔽性能。一般采用鍍鋅鋼絲或高強度鋁合金線編織鎧裝。

四、射頻同軸電纜波阻抗不均勻性造成的衰減

4.1 阻抗失配

采用不同的內(nèi)外導(dǎo)體直徑比以及不同的絕緣形式時，波阻抗是不同的，電氣和機械性能也是不同的。

為了便于設(shè)備制造及使用，將波阻抗標(biāo)準(zhǔn)化。

波阻抗是射頻同軸電纜最主要的參數(shù)。當(dāng)線路匹配時，沒有能量反射，傳輸效率最高；當(dāng)線路失配時，線路反射。這種能量損失，不僅降低傳輸效率，而且反射波與入射波互相疊加而產(chǎn)生駐波，使信號發(fā)生畸變。

4.2 內(nèi)部不均勻

同軸對內(nèi)、外導(dǎo)體在制造、運輸和施工過程中產(chǎn)生的偏心、橢圓度造成波阻抗的變化，導(dǎo)致內(nèi)部不均，則會產(chǎn)生反射波，造成反射衰減。

如果電纜線路上有反射波，它與原來的 波相互作用就會產(chǎn)生駐波。駐波系數(shù)則是用來描述反射波成分的大小。駐波系數(shù)越大，反射波成分越大。

駐波系數(shù)S計算方法：

S= （4）

式中：S—駐波系數(shù)；Umax—電壓振幅最大值；Umin—電壓振幅最小值；

反射系數(shù)p與駐波系數(shù)S之間的換算關(guān)系為：

p= （5）

式中：p——輸入端反射系數(shù)；

電纜中不均勻性的大小，也可用反射衰減bH來表示：

bH=20lg

（dB） （6）

式中：bH—反射衰減；p—輸入端反射系數(shù)；

五、結(jié)束語

電纜的衰減是衡量電纜質(zhì)量的重要指標(biāo)，電纜本身的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝和環(huán)境都會影響到電纜的衰減，電纜與設(shè)備的失配，也會引起回波損耗，導(dǎo)致衰減。只有綜合分析各個影響因素，并予以解決，才能降低衰減，提高電纜質(zhì)量。